Добавки в бетон как способ регулирования и приобретения полезных свойств

Наиболее универсальным и эффективным способом моделирования структуры и регулирования свойств бетона является введение в бетонную смесь дополнительных компонентов - добавок.
В настоящее время в экономически развитых странах весь выпускаемый бетон изготавливается с применением разнообразных добавок. Номенклатура известных добавок чрезвычайно многообразна. Добавки, как правило, оказывают полифункциональное воздействие на бетонные смеси и затвердевший бетон.
Пока не существует общепринятой классификации добавок. В известной монографии В. Рамачандрана, Р. Фельдмана и Д. Бодуэнп «Наука о бетоне» предполагается все добавки разделить нп химические, воздухововлекающие, пуццолановые и смешанные. При этом кхимическим предполагается относить растворимые вещества, что значительно суживает диапазон добавок. Очевидно, что все добавки в бетон состоят из определенных химических веществ и их можно считать химическими. В технологии бетона к настоящему времени под «химическими» понимают обычно добавки различного химического состава и функционального назначения, вводимые в бетонную смесь в количестве до 10% от массы цемента. В отдельную группу выделяют дисперсные минеральные добавки - вещества неорганического происхождения, - которые могут быть введены в значительно большем количестве, чем большинство химических добавок.
Отдельно рассматривают также добавки для полимерного модифицирования бетонов и получения полимерцементных бетонов.
В последние годы термин «добавки» все чаще заменяется или отождествляется с термином «модификаторы». Под модификаторами также понимаются вещества, улучшающие (модифицирующие) и регулирующие технологические свойства бетонных смесей и технические свойства бетона.
Химические добавки. Существует несколько систем классификации химических добавок - по механизму их действия, химическому составу, основному технологическому эффекту.
Наиболее удобной классификацией химических добавок по механизму их действия является классификация, предложенная В.Б. Спиновым и Т.И. Розенберг. Она делит добавки на 4 класса:
1. добавки, изменяющие растворимость вяжущих веществ;
2. добавки, реагирующие с вяжущими веществами с образованием труднорастворимых или малодиссоциированных
соединений;
3. готовые центры кристаллизации (кристаллические затравки);
4. органические поверхностно-активные вещества.
Каждый из классов добавок делится на отдельные группы. Так, добавки первого класса делят на содержащие и не содержащие одноименные с вяжущими ионы. В добавках второго класса выделяют добавки, вступающие с вяжущими веществами в реакции присоединения и в обменные реакции.
В добавках четвертого класса - ПАВ - можно выделить четыре группы: образующие труднорастворимые или малодиссоциирующие продукты, коагулирующие в присутствии ионов электролита, химически не взаимодействующие и взаимодействующие с гидроксидом кальция, алюминатами и щелочами цемента.Все добавки ПАВ разделяют также на гидрофилизирующие и гидрофобизирующие. Имеются различные классификации добавок по основному эффекту их действия.
Распространенная в СНГ классификация предлагает выделять 4 класса добавок-модификаторов:
1 - регуляторы реологических свойств бетонных смесей, их
сохраняемости во времени;
2 - регуляторы схватывания и твердения бетонных смесей,
кинетики их тепловыделения;
3 - регуляторы пористости бетона, обеспечивающие его
коррозионную стойкость, морозостойкость, водонепроницаемость;
4 - придающие бетону специальные свойства (гидрофобные,
электропроводящие, биоцидные и т.д.).

Стремление универсализировать действие добавок и усилить их технический эффект обусловили широкое распространение комплексных (композиционных) добавок.
Комплексные добавки можно разделить на две категории.
Первые представлены смесями добавок, принадлежащих к одному классу, а вторые-разных классов.
Все комплексные полифункциональные модификаторы (ПФМ) можно разбить на четыре группы: I - смеси электролитов; II - смеси ПАВ; III - смеси электролитов и ПАВ; IV - смеси химических и минеральных добавок.
ПФМ первой группы позволяют регулировать сроки схватывания, темпы твердения, защитные свойства бетона по отношению к арматуре.
Широкое применение ПФМ первой группы находят при производстве бетонных работ в зимнее время.
ПФМ второй группы применяют для усиления пластифицирующего эффекта, дополнительного воздухововлечения или газовыделения, гидрофобизации, экономии дорогостоящих суперпластификаторов.


Минеральные добавки. Минеральными добавками принято называть тонкодисперсные добавки из минеральных материалов, вводимые в бетонные смеси в количестве обычно более 5% для улучшения или придания бетонам специальных свойств. По происхождению добавки этого типа бывают как природными, так и техногенными. Минеральные добавки принято разделять в зависимости от их пуццолановой активности на инертные и активные. В группу активных добавок, или пуццолан, входят материалы, способные вступать при нормальной температуре в химическую реакцию с гидроксидом кальция с образованием соединений, обладающих вяжущими свойствами. При твердении бетонов источником гидроксида кальция являются основные минералы, входящие в портландцементный клинкер и подвергаемые гидролизу при воздействии воды. Самоцементирующиеся материалы, содержащие значительное количество оксида кальция, наряду с кислотными оксидами (высококальциевые шлаки и золы) называют иногда активными гидравлическими добавками, подчеркивая их способность медленно твердеть в водной среде.
Для более полной реализации вяжущего потенциала таких добавок необходимо дополнительное количество извести от внешнего источника, каковым может быть портландцемент или товарная известь. В основу классификации активных минеральных добавок, принятой в европейских странах и США, положены их активность и химико-минералогический состав.
Активными минеральные добавки считают обычно в тех случаях, если они обеспечивают конец схватывания цементного теста, изготовленного на основе добавки и гашеной извести не позднее, чем через 7 сут. после затворения, а образцы из этого теста сохраняют водостойкость и через 3 сут. после окончания схватывания. Активность добавок измеряют по количеству СаО в мг, поглощенного 1 г добавки из водного раствора и извести в течение 30 сут. Она колеблется от 50—100 для золы-уноса до 350-400 мг СаО на 1 г добавок для некоторых природных материалов осадочного происхождения (опока, трепел и др.).
Активность минеральных добавок определяют также с помощью микро-калориметрического метода по значению удельной теплоемкости и тепловыделения при их смачивании в полярных и неполярных жидкостях с учетом коэффициента гидрофильности и ряда других параметров.
Большинством зарубежных стандартов на золу-унос также ограничиваются ее влажность, химический состав и дисперсность. Устанавливаемые при этом значения основных показателей изменяются в определенных пределах: влажность- не более 1-3%, потери при прокаливании - не более 5-12 %, содержание 8Ю2- не менее 40-45 %, 5О3 - не более 2,5-5 %, дисперсность - не менее 1250-4250 см2/п Стандарт США устанавливает состав и требования к трем классам минеральных добавок, вводимых в бетонную смесь:
класс N - сырые и обожженные натуральные пуццоланы (диатомиты, сланцы, туфы, пеплы, пемза);
класс Р - зола-унос, получаемая при сжигании антрацита или битуминозных углей;
класс С - зола-унос, получаемая из бурого угля.

Химические методы определения активности минеральных добавок нельзя считать достаточными для оценки их качества. Наиболее надежным методом сравнительной оценки минеральных добавок является определение прочности при сжатии портландцемента при нормальных условиях или при ускорении твердения путем тепловлажностной обработки.
В качестве активной минеральной добавки (активного наполнителя) в бетонные смеси широко используется зола-унос. Зола-унос -тонкодисперсный продукт высокотемпературной обработки минеральной части каменного угля и других видов твердого топлива.
Она образуется при их сжигании в пылевидном состоянии в топках котлов и осаждается улавливающими устройствами из дымовых труб.
Наиболее эффективными золоуловителями являются электрофильтры, КПД которых 95-97%.
В связи с интенсификацией процессов сжигания твердого топлива и переходом к использованию в тепловой энергетике многозольных видов углей и сланцев эффективно применение топок с жидким шлакоудалением.
Продуктами жидкого шлакоудаления из энергетических топок являются топливные гранулированные шлаки, образуемые в результате быстрого охлаждения водой минерального расплава.
В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат несгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью. Шлак удаляют гидравлическим или сухим способом.
При гидравлическом способе, имеющем большее распространение, золы и шлаки смешиваются. Зола-унос состоит в основном из частиц размером 5 -100 мм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива.
Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев-мергель с примесями гипса и песка. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.
Основным компонентом золы-уноса является стекловидная алюмосиликатная фаза, составляющая 40-65% всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать а-кварц и муллит.
Количественное соотношение между а-кварцем и муллитом определяется соотношением SiO2/Аl2О3. С увеличением последнего содержание а-кварца в кристаллической фазе возрастает, а муллита убывает. Соответственно несколько возрастает активность зол по поглощению извести.
Золы, обогащенные оксидами железа, более легкоплавки, в них образуется больше стекла.
Стекло в золах можно рассматривать как материал, содержащий аморфиты - образования, близкие по составу и структуре к соответствующим кристаллическим фазам, но с высокой удельной поверхностью - и неупорядоченные глиноземисто-кремнеземистые прослойки между ними.
Способность стекловидной фазы к гидратации и гидролизу объясняется рыхлой субмикроструктурой и относительно высокой проницаемостью аморфитов, обусловленной пустотами между ионными группировками.
Активность промежуточного аморфного вещества стекловидной фазы определяется соотношением глинозема и кремнезема, чем оно больше, тем легче идет процесс гидратации зольного стекла в щелочной и в сульфатно-щелочной среде.
В нейтральной среде зольное стекло устойчиво. На гидравлическую активность кальциево-алюмосиликатного стекла, содержащегося в золе, положительно влияют примеси оксидов магния, железа и некоторых других элементов.
Определенной гидравлической активностью в золах, наряду со стекловидной фазой, обладает дегидратированное и аморфизи-рованное глинистое вещество.
Активность этой фазы зависит от минералогического состава глин, входящих в минеральную часть топлива, и повышается при тепловой обработке в сочетании с двуводным гипсом.
С повышением в золе содержания аморфизированного глинистого вещества увеличивается ее водопотребность.
Если минеральная часть топлива содержит значительное количество карбонатов, то в золе образуются низкоосновные силикаты и ферриты кальция, способные взаимодействовать с водой. В небольшом количестве в золы входят примеси: свободные оксиды кальция и магния, сульфаты, сульфиды и др.
В золах, как правило, содержится углерод в виде различных модификаций коксовых остатков.
Содержание их зависит от вида сжигаемого топлива: для бурых углей и горючих сланцев оно составляет менее 4%, каменных углей - 3-12, антрацита - 15-25%. Содержание несгоревших частиц в тонкодисперсных фракциях золы меньше, чем в грубодисперсных.
Химический состав зол-уносов колеблется в зависимости от месторождений углей. Примерное содержание основных оксидов в золах различных ТЭС, %: Si 2- 37-63; Аl2О3- 9-37; Fе2О3-4-17; СаО - 1-32; МgО - 0,1-5; SО3- 0,05-2,5; Na2О+К2О - 0,5-5. Потери при прокаливании, характеризующие содержание в золе несгоревших углеродистых частиц, составляют 0,5-30%.
Гранулометрический состав зол колеблется в широких пределах: размеры зерен 1-200 мкм. В золах-уносах содержание фракции более 85 мкм обычно не превышает 20%. Около 50% частиц золы имеют обычно размеры 30-40 мкм. Более крупные золы образуются при повышенном содержании в минеральной части топлива оксидов-плавней СаО и Fе2О3.
Дисперсность золы зависит от тонкости измельчения пылевидного топлива, с уменьшением тонкости измельчения увеличивается количество несгоревших частиц.
Для золы характерно значительное содержание частиц, имеющих мелкие замкнутые поры. Они являются результатом вспучивания расплавленной минеральной массы газами, выделяющимися при дегидратации глинистых минералов, диссоциации частиц известняка, гипса и органических веществ. Поры могут достигать 60% объема частиц золы. Высокое содержание микропор в золе обуславливает и высокое значение ее действительной удельной поверхности, измерения которой, выполненные по адсорбции азота, показали, что она на порядок выше удельной поверхности цемента. С высокой действительной удельной поверхностью золы связаны такие ее свойства, как адсорбционная способность, гигроскопичность, гидравлическая активность. Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности - отношение массовых долей основных оксидов к кислым.
В зависимости от области применения золу подразделяют на виды:
I - для железобетонных конструкций и изделий;
II -для бетонных конструкций и изделий;
III - для конструкций гидротехнических сооружений, а также на классы - для тяжелого (А) и легкого (Б) бетона.
Удельная поверхность золы класса А должна быть не менее 2800 см2/г, а золы класса Б - она находится в интервале 1500-4000 см;'Д-Остаток на сите №008 для золы класса А не должен превышать 15% по массе.
Стандарт требует, чтобы зола-унос обеспечивала равномерность изменения объема смеси цемента и золы при испытании образцов кипячением в воде.
Если обеспечивается равномерность изменения объема образцов при испытании их в автоклаве при давлении (2,1 ±0,1) МПа, допускается содержание в золе свободных оксидов кальция и магния.
Образцы считаются выдержавшими испытание, если значение их относительного удлинения не превышает для бетона на портландцементе 0,5, на шлакопортландцементе - 0,2 %.
К высокоактивным минеральным добавкам в бетон, все шире применяемым в последние десятилетия, относятся ультрадисперсные отходы производства ферросплавов, т.н. микрокремнезем (МК).
Микрокремнезем представляет собой конденсированный аэрозоль, улавливаемый фильтрами систем газоочистки плавильных металлургических печей. Он содержит частицы сферической формы со средним диаметром 0,1 мкм и удельной поверхностью 15 - 25 м2/г и выше.
Его насыпная плотность-150-250 кг/м3. По химическому составу МК представлен в основном некристаллическим кремнеземом, содержание которого обычно превышает 85 и достигает 98%.
Микрокремнезем как добавка в бетоны был впервые предложен в начале 50-х, а начал массово использоваться с начала 70-х годов прошлого столетия в Норвегии, а затем и других станах.
В соответствии с норвежскими нормами количество диоксида кремния в МК должно быть не меньше 85%, а дозировка добавки в бетон - не выше 10% массы цемента. Уникальная удельная поверхность (до 2000 м2/кг) в сочетании с аморфизованной структурой частиц, наличием таких примесей как карбид кремния, которые обладают высокой поверхностной энергией, обусловливают высокую структурирующую и реакционную способность этого материала по сравнению с другими активными минеральными добавками.Содержание МК в бетонах рекомендуется в количестве 20-50 кг/м3.
Микрокремнезем в силу чрезвычайно высокой дисперсности и аморфной структуры частиц вызывает существенное увеличение водопотребности бетонных смесей, поэтому его применяют в сочетании с суперпластификаторами.
Работы НИИЖБа (В.Г. Батраков, С.С. Каприелов А.В. Шейнфельд) показали, что с позиций коэффициента эффективности, учитывающего расход цемента, суперпластификатора и МК из различных видов микрокремнеземистых добавок наиболее предпочтительны отходы производства кристаллического кремния и ферросилиция, содержащие 5Ю2 в количестве выше 89%.
Менее эффективны отходы производства силикомарганца и феррохрома. Транспортирование МК в неуплотненном пылевидном состоянии достаточно сложно, поэтому его обычно гранулируют или применяют в виде водной суспензии (пасты).
В НИИЖБе разработаны технические условия на микрокремнезем, в которых для неуплотненной (МК) и уплотненной (МКУ) добавки, а также пасты (МКС) установлены марки в зависимости от минимально допустимого количества 5Ю2(МК-85, МК-65, МКУ-85, МКУ-65, МКС-85).
На основе МК, СП и некоторых других добавок НИИЖБом предложены гранулированные модификаторы (МБ). Они значительно упрощают получение бетона с высокими техническими свойствами, позволяют уменьшить расход СП, повысить сохранность консистенции бетонных смесей во времени и обеспечить ряд других преимуществ по сравнению с раздельным введением добавок.
Наряду с МК в качестве эффективных модификаторов бетона при определенных условиях (высокая дисперсность, сочетание с суперпластификаторами и др.) могут служить и другие минеральные материалы - метакаолин, цеолиты и др.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• В системе «М350» можно приобрести бетон, цена за куб в Чехове образуется в ходе конкурентной борьбы между проверенными РБУ.
• Представленная на странице /beton/v/rayon/domodedovo/ информация посодействует уменьшению стоимости бетона в р-не Домодедово.
• Отвечаем на вопросы: как правильно ухаживать за бетоном после заливки и какие меры предпринять для его лучшей сохранности.